(57)【要約】【課題】量産性、品質性ともに優れたＳＦＭモータを提供する。【解決手段】本発明のＳＦＭモータ１は、円筒状の固定子の内周側に回転子を配して１相の相ユニットを構成し、相ユニットを複数ユニット、回転軸方向に所定の電気角ずつずらした位置関係にして配し、各回転子の中央に回転軸を通してＳＦＭモータとし、各相の固定子は、多数枚の回転中心方向に開口するＣ型の固定子鉄心を回転中心に対して放射状に配列し、全固定子鉄心の開口部にトーラス形の電機子コイルを貫挿して構成し、各相の回転子は、多数枚の回転子鉄心を回転中心に対して放射状に配列し、多数枚の回転子鉄心それぞれの中に円周方向に磁化された第１永久磁石を磁化方向の向きを揃えて埋め込み、かつ隣り合う回転子鉄心の間に円周方向に磁化され、かつ、その磁化方向が第１永久磁石と逆向きである第２永久磁石を介挿して構成したことを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の固定子の内周側にエアギャップを介して回転子を配して１相の相ユニットを構成し、前記相ユニットを複数ユニット、回転軸方向に所定の電気角ずつずらした位置関係にして配し、各回転子の中央に回転軸を通してスパイラルフラックス永久磁石（ＳＦＭ）モータとし、
前記各相の固定子は、多数枚の回転中心方向に開口するＣ型の固定子鉄心を前記回転中心に対して放射状に配列し、全固定子鉄心の開口部にトーラス形の電機子コイルを貫挿して構成し、
前記各相の回転子は、多数枚の回転子鉄心を前記回転中心に対して放射状に配列し、前記多数枚の回転子鉄心それぞれの中に円周方向に磁化された第１永久磁石を磁化方向の向きを揃えて埋め込み、かつ隣り合う回転子鉄心の間に円周方向に磁化され、かつ、その磁化方向が前記第１永久磁石と逆向きである第２永久磁石を介挿して構成し、
前記各固定子鉄心は、前記エアギャップを介して回転子に対向する一方の固定子歯と他方の固定子歯とが円周方向で１極ピッチ分、又は前記回転子鉄心１個分ずつずれる位置にオフセットさせた配置にしたことを特徴とするＳＦＭモータ。
【請求項２】
請求項１に記載のＳＦＭモータにおいて、相ユニットを相数以上に回転軸方向に配置し、３相以上の多相モータにしたことを特徴とするＳＦＭモータ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のＳＰＭモータにおいて、相ユニットのコイルを他の相ユニットのコイルと直列接続又は並列接続してモータを構成したことを特徴とするＳＦＭモータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のＳＰＭモータにおいて、低速回転や高速回転の運転状況に応じて相ユニットのコイルを、他の相ユニットのコイルにおいて、コイルの直・並列接続やΔ・Ｙ等の結線を切替えることを特徴とするＳＦＭモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパイラルフラックス型永久磁石モータ（ＳＦＭモータ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッド自動車用モータでは、大量生産と低コスト化にため製造における機械化が要求され、同時に自動車ユーザの運転中の故障を最小限にするため高品質も両立する必要がある。一方で、モータや発電機は固定子鉄心に多数のスロットを設けて多数のスロット内にコイルが挿入され、多数のコイルは接続されて巻線を構成している。モータ性能としては小型・高出力と高効率が要求されるためにスロット内に高い占積率でコイルが巻かれている。さらに鉄心の両端から出るコイルの渡りの部分であるコイルエンド部の軸方向長さはモータの体格を大きくするためコイルエンドを機械的に押し潰すことを行っている。したがって、巻線製造は完全な機械化は困難であり、コイルの占積率や信頼性に限界がある。
【０００３】
駆動性能面では、バッテリーなどの電源電圧制限下で可変速運転を行うには永久磁石モータは中速から高速域では過大な誘導電圧を抑制するために弱め磁束制御を適用できる埋め込み型ＩＰＭモータの構成がとられている。さらに高トルクであることは必須である。
【０００４】
風力発電用発電機を用途とした永久磁石回転電機では、電機子巻線を環状のトーラス形コイルで構成するＴｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｆｌｕｘ  Ｍｏｔｏｒ（横方向磁束モータ。省略する時には、「ＴＦＭモータ」と記す。）が知られている（特表２００７−５００５００号公報―特許文献３）。環状のトーラス型コイルなので巻線の自動化が容易であり、コイルの占積率向上や巻線の信頼性も向上する。このＴＦＭモータについても、例えば自動車や電気車のように大トルク低回転領域から小トルク高回転領域まで広い回転速度領域で使用できるようにすることが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２０１３００号公報
【特許文献２】特開２０１０−００４６７３号公報
【特許文献３】特表２００７−５００５００号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】W. M. Arshad, T. Backstrom, C. Sadaragani：“Analytical Design and Analysis Procedure for A Transverse Flux Machine”, IEEE IEMDC, 17-20, 2001
【非特許文献２】堺 和人, 他 ：「可変磁力メモリモータの原理と基本特性」, 電気学会論文誌D, vol.131-D, No.1, pp. 53-60, 2011
【非特許文献３】”Development of a new transverse flux motor”, IEE Colloquium on New Topologies for Permanent Magnet Machines, 1997
【非特許文献４】倉持 暁，横瀬 博貴，堺 和人：「可変磁力Transverse Flux Motorの原理と基礎特性」，電気学会産業応用部門大会，vol.3，R3-1，3-5，pp. III-109−III-112，2011
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑み、ＴＦＭモータに対してさらに改良を加え、量産性、品質性ともに優れたモータとするため、電機子巻線を環状のトーラス形コイルで構成し、磁束がモータの周方向にスパイラル状に流れるようにしたスパイラルフラックス型の永久磁石モータ（以下、「ＳＦＭモータ」と略して記すことがある。）を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のＳＦＭモータは、円筒状の固定子の内周側にエアギャップを介して回転子を配して１相の相ユニットを構成し、前記相ユニットを複数ユニット、回転軸方向に所定の電気角ずつずらした位置関係にして配し、各回転子の中央に回転軸を通してＳＦＭモータとし、前記各相の固定子は、多数枚の回転中心方向に開口するＣ型の固定子鉄心を前記回転中心に対して放射状に配列し、全固定子鉄心の開口部にトーラス形の電機子コイルを貫挿して構成し、前記各相の回転子は、多数枚の回転子鉄心を前記回転中心に対して放射状に配列し、前記多数枚の回転子鉄心それぞれの中に円周方向に磁化された第１永久磁石を磁化方向の向きを揃えて埋め込み、かつ隣り合う回転子鉄心の間に円周方向に磁化され、かつ、その磁化方向が前記第１永久磁石と逆向きである第２永久磁石を介挿して構成し、前記各固定子鉄心は、前記エアギャップを介して回転子に対向する一方の固定子歯と他方の固定子歯とが円周方向で１極ピッチ分、具体的には前記回転子鉄心１個分ずつずれる位置にオフセットさせた配置にしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のＳＦＭモータによれば、量産性、品質性に優れた環状のトーラス形コイルで電機子巻線を構成することができて多極化と多相化を含めて巻線製造性に優れ、かつ、磁束がスパイラル状に流れ高トルクを発生し、弱め磁束制御も効果的に作用できる多極永久磁石モータが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の１つの実施の形態のスパイラルフラックス型永久磁石モータ（ＳＦＭモータ）の斜視図。
【図２】上記実施の形態のＳＦＭモータの固定子と回転子の一部の斜め上側から見た斜視図。
【図３】上記実施の形態のＳＦＭモータの固定子と回転子の一部の斜め下側から見た斜視図。
【図４】上記実施の形態のＳＦＭモータの一部を示す斜視図。
【図５】図４に示すＳＦＭモータの一部の断面図。
【図６】上記実施の形態のＳＦＭモータの固定子鉄心の斜視図。
【図７】上記実施の形態のＳＦＭモータにおいて永久磁石磁束、電流磁束の流れを示す説明図。
【図８】実施例１のＳＦＭモータの諸元表。
【図９】実施例１のＳＦＭモータの磁束密度のシミュレーション結果１の斜視図。
【図１０】実施例１のＳＦＭモータの磁束密度のシミュレーション結果２の斜視図。
【図１１】実施例１のＳＦＭモータの各相ユニットにおける無負荷時の誘起電圧波形の調波解析結果のグラフ。
【図１２】実施例１のＳＦＭモータのトルク特性のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００１２】
［１］モータの原理
スパイラルフラックス型永久磁石モータ（ＳＦＭモータ）の構成と基本動作、特性について説明する。図１は、ＳＦＭモータ１の全体構成を示している。図２、図３は、ＳＦＭモータ１のＵ，Ｖ，Ｗ各相ユニット１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗにおける磁気構成と電機子巻線を示している。図４、図５は要部の永久磁石の配列を示している。また図６は、固定子鉄心１１Ｕ１,１１Ｖ１，１１Ｗ１を示している。
【００１３】
ＳＦＭモータ１は、回転軸１３上に軸方向に並ぶように配置されたリング状のＵ相ユニット１０Ｕ、Ｖ相ユニット１０Ｖ、Ｗ相ユニット１０Ｗで構成されている。各相ユニット１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗは外周側の各相固定子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗと、各相固定子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの中央部に配置されている各相回転子１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗと、各相回転子１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの中央を貫通する回転軸１３にて構成されている。
【００１４】
各相固定子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗは、放射状に配置された多数枚の、中心軸方向に開口するＣ形状（門形、あるいはコの字形）の固定子鉄心１１Ｕ１，１１Ｖ１，１１Ｗ１と、各固定子鉄心１１Ｕ１，１１Ｖ１，１１Ｗ１の開口部を貫通する環状のトーラス形電機子コイル１１Ｕ２，１１Ｖ２，１１Ｗ２と、固定鉄心１１Ｕ１，１１Ｖ１，１１Ｗ１の外周部を共通に補強する外殻材１６にて構成されている。尚、図２に示すように、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相固定子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗでは電気角は１２０°ずつずれるように固定子鉄心１１Ｕ１，１１Ｖ１，１１Ｗ１が配置してある。また、外殻材１６については、図４、図５に示しているが、図１〜図３では固定子内部の構造を理解しやすくするために、この外殻材１６を図示していない。
【００１５】
各相回転子１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗは、各相固定子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの内周部それぞれに対向して配置されている。各相回転子１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗは、磁石挿入スロットが穿たれ、その中に第１永久磁石１２Ｕ２Ａ，１２Ｖ２Ａ，１２Ｗ２Ａが挿入されている回転子鉄心１２Ｕ１，１２Ｖ１，１２Ｗ１をリングをなすように放射状に配置し、また、隣り合う回転子鉄心１２Ｕ１；１２Ｕ１，１２Ｖ１；１２Ｖ１，１２Ｗ１；１２Ｗ１間の隙間にも前記第１永久磁石１２Ｕ２Ａ，１２Ｖ２Ａ，１２Ｗ２Ａとは逆極性の第２永久磁石１２Ｕ２Ｂ，１２Ｖ２Ｂ，１２Ｗ２Ｂを介挿させ、これらのアセンブリーを回転軸１３の外周部に組み付けた構造である。これにより、図７に示すように、モータ回転方向（円周方向）に磁極ＮＳ，ＳＮ，ＮＳ，ＳＮというように隣り合う永久磁石間で磁化方向が逆向きに並ぶ構成となっている。尚、永久磁石１２Ｕ２Ａと永久磁石１２Ｕ２Ｂとは磁化方向が逆方向であることを示すためのものであり、磁石そのものは同じである。
【００１６】
固定子鉄心１１Ｕ１は図６に示す形状であり、その固定子歯ＴＨ１，ＴＨ２は、軸方向の前後で１極ピッチ分、具体的には回転子鉄心１個分ずつずれていて、一方の固定子歯ＴＨ１が回転子磁石１２Ｕ２Ａと対向するときには他方の固定子歯ＴＨ２は隣の回転子磁石１２Ｕ２Ｂと対向する様に、回転方向で位置をオフセットした構成である。他の相Ｖ，Ｗの固定子鉄心１１Ｖ１，１１Ｗ１についても同様である。
【００１７】
図２、図３において、符号２０は回転方向（トルク方向）、符号Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは電機子コイル１１Ｕ２，１１Ｖ２，１１Ｗ２に流れる電流の方向を示している。電流の方向とトルクの方向は一般のモータでは直角方向であるが、ＳＦＭモータ１では電流の方向Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗとトルクの方向２０は同方向である。
【００１８】
ＳＦＭモータ１における磁束の流れる方向について図７を用いて説明する。ここではＵ相に限って説明するが、Ｖ，Ｗ相でも同様である。図７に示すようにＳＦＭモータ１では、永久磁石１２Ｕ２Ａ，１２Ｕ２Ｂの作る磁束ＦＬｐｍと電機子電流Ｉｕの作る磁束ＦＬｉの両方が周方向にスパイラル状に流れる。固定子部分Ｉでは永久磁石１２Ｕ２と電機子電流の作る磁束は共に固定子鉄心１１Ｕ１を通って流れ、回転子部分IIでは永久磁石１２Ｕ２の作る磁束は磁石を通り次の固定子１２Ｕ２へ流れ、電機子電流Ｉｕの作る磁束ＦＬｉは回転子ヨーク１２Ｕ３を通って次の固定子１１Ｕ１に流れる。これにより、ＳＦＭモータの磁束がトーラス形巻線１１Ｕ２の周りを巡りながらモータ１を１周するようにスパイラル状に流れる。
【００１９】
このように、本実施の形態のＳＦＭモータ１によれば、量産性、品質性に優れた環状のトーラス形コイル１１Ｕ２，１１Ｖ２，１１Ｗ２で電機子巻線を構成して、磁束がスパイラル状に流れ高トルクを発生させることができ、多相化を含めて巻線製造性に優れた多極ＰＭモータが提供できる。
【００２０】
さらにコイルの電流で生じる磁束は固定子鉄心と回転子鉄心をスパイラル上に流れる閉じた磁気回路が形成されるので、コイルから見た磁気抵抗は小さく、高速域での過電圧抑制のための弱め磁束制御が効果的に作用できる。
【００２１】
尚、本発明にあっては、上記の実施の形態に限定されることはなく、例えば、ＳＦＭモータにおいて、相ユニットを相数以上に回転軸方向に配置することによって３相以上の多相モータにすることができる。
【００２２】
また、相ユニットのコイルを他の相ユニットのコイルと直列接続又は並列接続してモータを構成することもでき、さらには、低速回転や高速回転の運転状況に応じて相ユニットのコイルを、他の相ユニットのコイルにおいて、コイルの直・並列接続やΔ・Ｙ等の結線を切替えるようにすることもできる。
【実施例１】
【００２３】
ＳＦＭモータでは、磁束は３次元的に分布する。そこで、磁束の流れとモータ特性を把握するため３次元電磁解析を行った。図８は実施例のＳＦＭモータの３次元解析モデルの諸元を示している。図５、図６に示すように、３次元モデルは、周期性を考慮して１極対分としている。ＳＦＭモータモデルの節点数は１２７，２３９、要素数は４８６，７４６である。
【００２４】
解析で得られた結果として、定格負荷時で回転時の磁束密度分布を図９、図１０に示す。図９はＵ相ユニットにおいて、固定子歯と回転子磁極が対向した状態を基本位置とし、図１０は回転子が基本位置から電気角で９０°回転した状態である。これらより、磁束が各相ユニット毎に周期的に変化していることが確認できた。
【００２５】
また、各相ユニットにおける無負荷時の誘起電圧波形の調波解析結果を図１１に示す。誘起電圧の基本波成分は５１９．８Ｖである。基本波成分を１００％とすると、３次高調波成分は４．５％、５次高調波成分は１．１％であり、高調波成分はわずかである。
【００２６】
定格負荷時のトルク特性の解析結果を図１２に示す。実施例１のＳＦＭモータは連続したほぼ一定のトルクで回転駆動できることが検証された。また、ＳＦＭモータの単位体積当たりのトルクは５７．２ｋＮｍ／ｍ３であることから、高トルクが得られている。また、トルク脈動は約１２％であり、良好であった。
【符号の説明】
【００２７】
１  スパイラルフラックス型永久磁石モータ（ＳＦＭモータ）
１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ  相ユニット
１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ  固定子
１１Ｕ１，１１Ｖ１，１１Ｗ１  固定子鉄心
１１Ｕ２，１１Ｖ２，１１Ｗ２  電機子コイル
ＴＨ１，ＴＨ２  固定子歯
１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗ  回転子
１２Ｕ１，１２Ｖ１，１２Ｗ１  回転子鉄心
１２Ｕ２Ａ，１２Ｖ２Ａ，１２Ｗ２Ａ  第１永久磁石
１２Ｕ２Ｂ，１２Ｖ２Ｂ，１２Ｗ２Ｂ  第２永久磁石
１３  回転軸
１６  外殻材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2013183516.tif 000011
【図１０】
2013183516.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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